СПОСОБ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ГАЗОТУРБИННОГО НАДДУВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ "АНТАР" Российский патент 1997 года по МПК F02B29/06 F02B33/00 

Разработка относится к двигателестроению и прежде всего к транспортным дизелям, вынужденным длительно бездействовать под открытым небом в условиях ветреной погоды.

Широко известен способ работы системы газотурбинного наддува двигателя внутреннего сгорания ДВС, предусматривающий операции:
подвода атмосферной среды к лопастному нагнетателю (низконапорному компрессору),
циклического выпуска газов из цилиндровых полостей в атмосферу через турбину этого нагнетателя,
подачу сжатого воздуха в цилиндры.

Этот способ-аналог предусматривает также работу в период, когда производится подзарядка источника энергии стартерного устройства ДВС. Такая подзарядка ведется здесь во время функционирования двигателя и готовит стартерное устройство (к примеру, электростартер) к очередному, последующему запуску упомянутого ДВС [1]
Недостаток данного способа состоит в том, что он применим только при потреблении моторного топлива и мощности действующего двигателя, значит, имеется крепкая "привязка" к топливной базе и потеря некой доли моторной мощности на привод генератора подзарядки.

В случае чрезмерной разрядки аккумулятора ДВС повышенной мощности завести уже очень трудно. А если такой двигатель не исправен, то не воспользоваться энергоисточником стартера для длительного освещения места ремонта и т. п. цели. При двухтактном же моторе этот способ-аналог провоцирует неполное сгорание топливных зарядов в цилиндровых камерах, воздушное голодание, повышенный расход горючего, загрязнение окружающей среды токсичными выбросами.

Известен вместе с тем и несколько иной способ работы газотурбинного наддува. В нем те же операции, хотя и с небольшими нюансами. Подвод атмосферного воздуха (его течений) к лопастному диагональному нагнетателю. Циклический выпуск газов из цилиндровых полостей в атмосферу через осевую турбину этого нагнетателя. Подача сжатого воздуха в цилиндры.

Наиболее существенная особенность способа- прототипа та, что непосредственно перед вступлением в работу ДВС (а при необходимости и в процессе функционирования поршневого мотора) подключают дополнительный нагнетатель. Тот малонапорный компрессор, который приводится, например, неким электродвигателем.

В результате возникает повышение коэффициента наполнения при пусковой зарядке, а для двухтактника и при рабочем режиме [2]
Недостаток способа-прототипа повышенный расход энергии стартерного устройства, увеличенный расход моторного топлива и, как следствие, ограничение дальности хода транспортного средства, так как здесь сложней трансмиссия нагнетательной части, вторая, центробежная крыльчатка, к примеру. Это удорожает ДВС, усложняет условие выполнения ремонтных работ в пути (особенно на зимняке).

Целью данной разработки является повышение надежности запуска ДВС, сокращение расхода горючего при дальних рейсах, улучшение эксплуатационных условий. Путь к достижению цели ветроиспользование как при работающем поршневом моторе, так и в случаях бездействия последнего. Причем без существенного усложнения трансмиссии турбокомпрессорной части двигателя, без добавления высокооборотных крыльчаток. Важно, чтобы нагнетатель и турбина были обратимы.

Цель достигается тем, что в известном способе работы системы газотурбинного наддува двигателя внутреннего сгорания, включающем операции подвода атмосферных течений к диагональному нагнетателю, циклического выпуска газов из цилиндровых полостей в атмосферу через осевую турбину этого нагнетателя, подачи сжатого воздуха в цилиндры, а также предусматривающем подзарядку источника энергии стартерного устройства, которая производится перед запуском двигателя, на период бездействия двигателя поддерживают сцепление крыльчатки нагнетателя с трансмиссией источника энергии стартерного устройства.

При этом вращение крыльчатки нагнетателя и колеса турбины в указанный период осуществляется эпизодически, при ветреной погоде, и за счет одновременного подвода энергии ветра с любого румба как в кольцевой воздухозаборник входной шахты нагнетателя, так и к эжектирующему оголовку вихревого эксгаустера газов, покидающих упомянутую турбину при действии двигателя.

Предлагаемый способ работы системы газотурбинного наддува ДВС отличается еще тем, что подзарядку источника энергии стартерного устройства ведут при условии, что воздухонапорные взаимодействующие тракты патрубки нагнетателя и турбины между собой сообщены посредством воздуховода, который перекрывается в момент запуска двигателя и остается перекрытым в течение всего этапа работы последнего.

Так при работе ДВС на ветру увеличится мощность на коленвалу, во время бездействия поршневого мотора на открытой для ветра площадке создается обстановка для обращения нагнетателя в воздушную турбину (используя для этого свойства диагональной лопастной машины), а газовой турбины -во вторую ступень ветродвигателя. При этом раскрывается возможность для долгой подзарядки источника энергии стартерного устройства. Таким образом, электроаккумулятор обретет увеличенную емкость и сможет обеспечить длительный обогрев двигателя на морозе, обогрев водительской кабины, рубки, каюты, разных механизмов, позволит выполнять разные ремонтные работы, включая сварочные. Что здесь главное наличие ветра, хотя бы самого слабого, и кольцевой воздухозаборник конструкции автора этой работы и эжектирующий оголовок, тоже защищенный авторским свидетельством (см. а.с. СССР NN 1657723 и 1765492, кл. F 03 D 3/04 с приорит. 1989 и 1990 соответственно).

Разумеется, не обойтись без простейшей "кинематической надбавки" в виде муфты сцепления, некой золотниковой пары: "воздухораспределительного клапана", без замены обычного электростартера на стартер-генератор, действующий на стоянке чаще всего в генераторном режиме.

На фиг.1 представлена система газотурбинного наддува, работающая по новому способу. Причем система дана в варианте, способном обслуживать как четырехтактный многоцилиндровый ДВС, так и двухтактный. В том числе и тот, который действует по схеме ВНИП (а.с. NN 1615410 и 1761970, кл. F 02 B 29/06, 1988).

Фиг. 2 дает представление о некой тангенциальности подводов газа и воздушной среды к колесу осевой турбины.

На фиг.3 изображена улитка эксгаустера.

Фиг.4 демонстрирует воздухозаборник в горизонтальном сечении.

На фиг.5 вид на оголовок эксгаустерной башни сверху.

Система, функционирующая по предлагаемому способу, включает в себя двигатель 1 (фиг. 1), выполненный, например, двухцилиндровым и двухтактным по схеме ВНИП, и расположенный возле этого поршневика диагональный нагнетатель 2, крыльчатка которого сцеплена, с одной стороны, постоянно с колесом осевой турбины 3, с другой имеет муфту 4, которая способна соединяться с трансмиссией стартерного устройства через маховик, зубчатый редуктор 5 с ротором стартер-генератора 6. Источник энергии (электроаккумулятор) на схеме условно не показан.

Входная шахта "ш" нагнетателя несет кольцевой воздухозаборник 7. На выходе турбины предусмотрен вихревой эксгаустер 8. Вытяжная башня последнего составлена из улитки "у" внизу и эжектирующего оголовка "о", который кольцом обнимает верхний башенный срез.

Нижние зоны выхлопных окон ДВС при помощи коленообразных динамических труб 9 подключены к турбинному входу "с". Корпус нагнетателя 2 оснащен двумя выходами. При этом трубопровод 10 осуществляет связь напорной части указанного корпуса со всасом цилиндров поршневого мотора, причем на уровне нижних оконных зон. Воздуховод же 11 сообщает напорный тракт-патрубок нагнетателя с золотниковой парой 12.

Упомянутый механизм перекрытия воздуховода 11 по конструкции может быть иным, обладать небольшим гидросопротивлением. Однако командная полость "м" такого перекрывного устройства имеет прямую динамическую связь 13 с одной из труб 9. Такая прямая газовая связь позволяет максимально использовать динамический напор на выхлопе и двухтактного мотора, и четырехтактного. Указанный выше воздуховод на участке "золотник турбина" обозначен цифрой "14" (см. также фиг.2).

В случае двухтактника золотниковая пара 12 еще связана трубкой продувки 15 с перезарядником 16. Причем как двухтактный двигатель, так и четырехтактный мотор имеют перекрывной кран 17, который встроен в трубопровод 10. Перезарядник представляет собой проточную камеру, входной тракт которой образован выходным участком трубки 15. К этому участку подключена еще мини-трубка "д". В камеру перезарядника 16 вмонтирована "рабочая петля" (или лопасть) перепускного канала 18. Он связывает верхние зоны выхлопных окон.

Описанная схема, в целях упрощения чтения, не имеет подробностей второй значимости. Так здесь нет кинематики, связывающей муфту 4 с коленвалом ДВС. Не исключен также постанов регулируемых направляющих лопаток на входах нагнетателя и турбины. Конструкция шахты "ш" внизу может иметь вид горизонтальной спиральной камеры улитки.

Когда поршневой двигатель 1 (фиг.1) бездействует, муфта 4 находится в положении расцепления с коленвалом и сцепления с трансмиссией турбокомпрессора. Воздуховод 11 сообщен с участком 14, который связан с трактом-патрубком турбинного входа "с". Трубка продувки 15 перекрыта кромкой "б" золотника 12. Кран 17 закрыт.

Ветровые токи (атмосферные течения) "в", смывая воздухозаборник 7 и оголовок "о", взаимодействуют со струеповоротным кольцом "л" и пластинами "т" (фиг. 4) упомянутого заборника, а также с фронтальными каналами "е'" вихревого эксгаустера 8.

В шахте "ш" при этом энергия воздушных токов сильно уплотняется, скорость воздуха на входе в нагнетатель 2, давление возрастают. Над оголовком возникает мощная струя "к" в виде скоростного козырька. Эта струя эжектирует среду из тракта башни. Так перед крыльчаткой нагнетателя образуется скоростной напор, а в полости улитки "у" (см. фиг.3), что представляет нижнюю часть эксгаустера турбины 3, создается некое "вихревое разрежение". Падение атмосферного давления будет происходить и в подветренных каналах "и" (фиг. 5). В результате нагнетатель и турбина срабатывают едино, как ветряк, вращающий ротор электромашины 6. Последняя в данном случае действует в генераторном режиме. Аккумулятор заряжается. Когда наступает момент запуска ДВС, кран 17 открывают, муфта 4 переводится в положение: "временное сцепление стартерного устройства 5 6 с коленвалом и расцепление с трансмиссией турбокомпрессора 2 3". Стартер, получая питание от аккумулятора, производит прокрутку поршневого двигателя.

Выхлопные газы ДВС устремляются как в камеру перезарядника 16, так и в трубы 9. Силой газового напора в полости "м" золотник 12 сжимает слабую пружину "п" и сдвигается в позицию, при которой воздуховод 11 перекрывается; трубка продувки 15 получает воздушное питание. Основной же газовый поток при этом устремляется к турбинному входу "с".

Отдав энергию перезаряднику 16 и турбине 3, газы истекают в атмосферу через выходной срез перезарядной камеры и вихревой эксгаустер 8. Обороты крыльчатки нагнетателя возрастают и он осуществляет подачу сжатого воздуха в мотор по трубопроводу 10 и трубке продувки 15. В случае ветра система газотурбинного наддува форсируется. Пользоваться трубкой "д" предстоит в самом начале запуска двухтактного двигателя, когда золотник еще не снялся с упора. Вообще же элементы 15, 16, 18 и "д" при четырехтактнике отпадут.

Новый способ работы системы газотурбинного наддува ДВС раскрывает возможность получать, по мнению автора, вполне ощутимые выгоды. Те, что связаны с надежностью поршневого двигателя, с повышением экономических показателей последнего, с сокращением загрязнения окружающей среды. Улучшаются условия труда в регионах с суровым климатом.

Способ применим там, где регулярно дуют ветры, где минусовые температуры окружающего воздуха и равнинная местность: в тундре, на "зимняке", побережье полярных морей или, например, среди дрейфующих льдов в Антарктике, у берегов Гренландии, возле Новой Земли, на Таймыре.

Использование: в двигателестроении, в частности в транспортных дизелях, работающих в условиях ветреной погоды. Сущность изобретения: способ работы системы газотурбинного наддува двигателя внутреннего сгорания включает операции подвода атмосферных течений к диагональному нагнетателю, циклический выпуск газов из цилиндровых полостей в атмосферу через осевую турбину, подачу сжатого воздуха в цилиндры, подзарядку источника энергии стартерного устройства, в период бездействия двигателя в нем поддерживается сцепление крыльчатки нагнетателя с трансмиссией источника энергии стартерного устройства, при этом вращение крыльчатки нагнетателя и колеса турбины осуществляется при ветреной погоде за счет подвода энергии ветра в кольцевой воздухозаборник входной шахты нагнетателя и к эжектирующему оголовку вихревого эксгаустера. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ работы системы газотурбинного наддува двигателя внутреннего сгорания, включающий операции подвода атмосферных течений к диагональному нагнетателю, циклического выпуска газов из цилиндровых полостей в атмосферу через осевую турбину этого нагнетателя, подачи сжатого воздуха в цилиндры, а также предусматривающий подзарядку источника энергии стартерного устройства, которая производится перед запуском двигателя, отличающийся тем, что на период бездействия двигателя поддерживают сцепление крыльчатки нагнетателя с трансмиссией источника энергии стартерного устройства, при этом вращение крыльчатки нагнетателя и колеса турбины в указанный период осуществляется при ветреной погоде за счет одновременного подвода энергии ветра с любого румба как в кольцевой воздухозаборник входной шахты нагнетателя, так и к эжектирующему оголовку вихревого эксгаустера газов, покидающих упомянутую турбину при действии двигателя. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подзарядку источника энергии стартерного устройства ведут при условии, когда воздухонапорные взаимодействующие тракты-патрубки нагнетателя и турбины между собой сообщены посредством воздуховода, который перекрывается в момент запуска двигателя и остается перекрытым в течение всего этапа работы последнего.